CN115550579B - 一种图像传感器读出方法和图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像传感器的读出方法和图像传感器，用以实现偏置信号的快速建立。该图像传感器包括n组像素单元组成的像素阵列用于产生图像信号；包括n个尾电流源管的尾电流源模块产生尾电流；基准源生成基准信号、第一基准电流和第二基准电流。第一偏置源将第一基准电流转换成第一偏置电压，并将第一偏置电压输出至模数转换单元，第二偏置源将第二基准电流转换成第二偏置电压并将第二偏置电压输出至模数转换单元，第一偏置源和第二偏置源共同驱动像素阵列的每一组配置的尾电流源；像素阵列输出每一组的像素单元输出信号。模数转换单元基于基准信号将每一组的像素单元输出信号进行量化，量化后的数字量输出到输出信号处理***作后续数据处理。

Description

一种图像传感器读出方法和图像传感器

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种图像传感器读出方法和图像传感器。

背景技术

目前，CMOS图像传感器(CMOS image sensor，CIS)已广泛应用于视频、监控、工业制造、汽车、家电等成像领域。当前各类应用不仅要求CIS在合理的功耗下有更高的分辨率、帧率，这就要求像素读出周期缩短，像素操作及模数转换需要的各类偏置信号需要具有更短的建立时间。而CIS分辨率较大时，偏置信号线寄生电阻、电容分布较多且时间RC常数较大，要实现较快的建立速度仅靠增加偏置电流获得更大驱动能力不仅功耗开销很大，而且偏置信号源贡献的噪声会增加。常规的方法是单侧偏置源提供偏置到各组尾电流管，像素阵列较大时，组数较多，尾电流偏置信号线时间常数较大，这就需要增大偏置源的驱动能力，电流就会增加导致功耗很大。

为此，亟需提供一种新的图像传感器读出方案以改善上述问题。

发明内容

本发明实施例提供一种图像传感器读出方法和图像传感器，用以缩短偏置信号线时间常数，在保证像素输出信号精度的前提下，实现偏置信号的快速建立。

第一方面，本发明提供一种图像传感器，包括：n组像素单元组成的像素阵列，用于产生图像信号；包括n个尾电流源管的尾电流源模块，每个尾电流源与所述像素阵列的每一组一一对应；所述尾电流源用于产生尾电流；基准源，用于生成基准信号，以及生成第一基准电流和第二基准电流；第一偏置源，用于将所述第一基准电流转换成第一偏置电压，并将所述第一偏置电压输出至模数转换单元，所述第一偏置源用于驱动所述像素阵列的每一组配置的尾电流源；第二偏置源，用于将所述第二基准电流转换成第二偏置电压，并将所述第二偏置电压输出至模数转换单元，用于共同驱动所述像素阵列的每一组配置的尾电流源；所述像素阵列，用于在像素阵列的每一组对应的尾电流源管的偏置信号作用下，输出每一组的像素单元输出信号；模数转换单元，用于基于基准信号，将每一组的像素单元输出信号进行量化，量化后的数字量输出到输出信号处理***作后续数据处理。其中，n为正整数，所述第一偏置源和所述第二偏置源是相同规格的偏置源，所述第一基准电流和所述第二基准电流相同。

本发明提供的图像传感器的有益效果在于：本发明提出在像素阵列另一侧提供另一偏置源，两个偏置源共同驱动对像素尾电流管，相比传统的偏置电路，这样连接的好处是偏置信号线时间常数缩小为原来的1/4，大大缩短了建立时间以及抗干扰的稳定恢复时间，偏置源自身驱动要求降低，无需很大的驱动电流，所以还能降低偏置源的功耗。

一种可能的实施方式中，最后一组像素单元的偏置信号建立时间常数最大为：其中，R为相邻组像素单元之间的寄生电阻，C为相邻组像素单元之间的寄生电容。

第二方面，本发明提供一种图像传感器的读出方法，该方法包括：在复位阶段，控制选通信号SEL置为低电平，复位信号RX和传输信号TX均置为高电平，使得传输管Mtg、复位管Mrst和放大管Msf均导通，像素单元被复位；

当像素单元被复位后，控制所述传输信号TX从高电平切换为低电平，使得传输管Mtg断开；

在曝光阶段，保持选通信号SEL为低电平，以及保持传输信号TX为低电平，控制复位信号RX从高电平切换为低电平，使得复位管Mrst和传输管Mtg断开，选通管Msel导通，光电二极管PD开始曝光并积累电子；

在信号读取阶段之前，开关的控制信号置为高电平，第一偏置源和第二偏置源共同驱动所述像素阵列的每一组配置的尾电流源；

在信号读取阶段，开关的控制信号从高电平切换为低电平，第一偏置源驱动所述像素阵列的每一组配置的尾电流源，第二偏置源与尾电流源之间的连接断开，控制复位信号RX由低电平切换为高电平，使得复位管Mrst导通，对浮空扩散区FD点复位，读出复位电位VRST；之后控制传输信号TX由低电平切换为高电平，使得传输管Mtg导通，读出曝光积分信号VSIG。

本发明所提供的图像传感器读出方法的有益效果在于：第一偏置源和第二偏置源共同驱动所有组的尾电流管，以求实现快速建立，提出的这种偏置控制方式，可以满足高分辨率高帧率的要求，并且使偏置源功耗控制在合理范围内，由于新增的偏置源可能和原偏置源存在差异，所以在像素读出阶段开始前接入新增第二偏置源，进入像素读出阶段后，新增的第二偏置源会断开，由原第一偏置源继续提供稳定的偏置信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的一种CIS标准四管像素单元的电路结构示意图；

图2为现有技术提供的一种四管像素单元的时序控制方法流程示意图；

图3为现有技术提供的一种CIS读出电路架构示意图；

图4为现有技术提供的一种像素尾电流源偏置电路；

图5为本发明实施例提供的改进后的图像传感器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的改进后的像素尾电流源偏置电路的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的图像传感器的读出方法流程示意图；

图8为本发明实施例提供的改进后的读出电路时序示意图。

具体实施方式

图1为典型的CIS架构，包括像素阵列、模数转换单元(Analog-to-DigitalConverter，ADC)、基准源、时序控制、译码驱动和输出信号处理。像素阵列由若干个图1所述的像素单元“P”组成。像素阵列的像素分布划分为两个方向，第一方向定义为行方向，第二方向定义为列方向，像素阵列共有k行n列，按逐行的方式读出，具体顺序为ROW(0)、ROW(1)、……ROW(k-1)、ROW(k)，像素阵列的每一列有一个输出总线，分别为PIX_OUT(0)、PIX_OUT(1)、…PIX_OUT(n-1)、PIX_OUT(n)，每一列有一个电流源管，分别为Mcs(0)、Mcs(1)、…Mcs(n)，用于产生尾电流以产生有一定驱动能力的像素输出电压信号PIX_OUT，基准源产生的基准电流IREF经过偏置源产生像素尾电流管偏置电压VB。像素输出电压信号PIX_OUT输出接到ADC。ADC基于基准信号，将像素输出进行量化，量化后的数字量输出到***作数据处理，使得像素输出PIX_OUT(0)、PIX_OUT(1)、…PIX_OUT(n)为电压信号。

图2是CIS标准四管像素单元电路结构，该结构普遍应用于行曝光方式CIS，它由感光二极管PD、电荷传输管Mtg、复位管Mrst、放大管Msf、选通管Msel组成。感光二极管PD会感光，并生成与光照强度成正比的光电子。电荷传输管Mtg作用是转移感光二极管PD内的光电子，当传输信号TX为高电压时，电荷传输管Mtg导通，会将感光二极管PD内的光电子转移到浮空扩散区FD上。复位管Mrst作用是在复位信号RX为高电位时，对浮空扩散区FD进行复位。当选通信号SEL为高电位选通管Msel导通时，放大管Msf、选通管Msel与到地的电流源Mcs形成通路，此时放大管Msf本质上为一个源极跟随器，跟随浮空扩散区FD电位的变化并最终由像素输出电压信号PIX_OUT输出，并输入到列ADC进行模数转换。

图3为四管像素单元的操作时序，分为复位(Rst)、曝光(Exp)、信号读取(Read)。在复位阶段，传输信号TX、复位信号RX为高电平，电荷传输管Mtg和复位管Mrst均导通，浮空扩散区FD复位且其电位被拉高到电源电压VDD。之后，复位信号RX、传输信号TX为低电平，进入曝光阶段，浮空扩散区PD感光并积累电子。进入信号读取阶段，选通信号SEL为高电平，复位信号RX先为高电平复位浮空扩散区FD，复位信号RX再拉至低电平，传输信号TX保持为低电平，此时放大管Msf受控于浮空扩散区FD电位并通过像素输出电压信号PIX_OUT输出复位电位VRST。之后，传输信号TX拉高电平将感光二极管PD上的电子转移到浮空扩散区FD，此时放大管Msf受控于浮空扩散区FD电位并通过像素输出电压信号PIX_OUT输出感光信号电位VSIG。复位电位VRST、感光信号电位VSIG电位由ADC电路转换为数字量并进行减法操作，得到感光二极管PD上光电子实际对应的数字量。若ADC为12位，ADC参考电压范围为VREF，则最终输出为DOUT＝(VRST-VSIG)×2¹²/VREF。

图4为常规的像素尾电流偏置电路，偏置电流ISC经Mcsm产生偏置电压VB用于驱动所述列像素的尾电流源管(Mcs(0)、Mcs(1)、…Mcs(n))。在各列尾电流管偏置下，像素输出信号PIX_OUT(0)、PIX_OUT(1)、…PIX_OUT(n)。当CIS分辨率较高时，行列数会增加，这样VB偏置线路径会很长，每列之间的VB走线都存在寄生电阻和到地寄生电容(第一列到最后一列走线寄生电阻电容分别是R0/C0、R1/C1、…Rn/Cn)，最后一列偏置信号建立时间常数最大为：

τn＝R0×C0+(R1+R2)×C1+…+(R1+R2+…+Rn)×Cn

由于每列之间间距是一样的，可以近似看做R0＝R1＝…＝Rn＝R，C0＝C1＝…＝Cn＝C。则时间常数可以写成：

当CIS分辨率很大时，比如4000万，列数将达到8000万，假如每一列VBN走线电阻R＝1Ω，电容C＝10fF，时间常数τn将达到640ns，也就是当偏置源驱动能力无穷大时，能在640ns完成偏置信号建立，但是实际情况是偏置源也存在建立过程，所以实际建立时间会达到接近1μs。在分辨率帧率均较高的情况下，这是不能满足要求的，例如4000万像素以30帧每秒速度出图，一个行读周期6μs，如果帧率达到60帧，周期仅3μs，帧切换时偏置信号会受到其它信号干扰，需要快速达到稳定，640ns～1μs量级的恢复时间肯定是不能满足要求的。可见，常规的方法是单侧偏置源提供偏置到各列尾电流管，像素阵列较大时，列数较多，尾电流偏置信号线时间常数较大，这就需要增大偏置源的驱动能力，电流就会增加导致功耗很大。

为此，本发明提出在像素阵列另一侧提供相同规格的第二偏置源对像素尾电流管共同提供偏置，如图5所示，本发明提供的图像传感器包括：像素阵列、尾电流源模块、基准源、第一偏置源、第二偏置源、像素阵列、模数转换单元和输出信号处理***，以及译码驱动器和时序控制器等。

其中，像素阵列包括n组像素单元，n为正整数，像素单元用于产生图像信号；尾电流源模块包括n个尾电流源管，如图5所示的Mcs(0)、Mcs(1)、…Mcs(n)，每个尾电流源与所述像素阵列的每一组一一对应；所述尾电流源用于产生尾电流。假设，本实施例中像素阵列的像素分布也划分为两个方向，第一方向定义为行方向，第二方向定义为列方向，则n组像素单元可以理解为n列像素单元。

基准源，用于生成基准信号VREF，以及生成第一基准电流IREF1和第二基准电流IREF2。

第一偏置源，用于将所述第一基准电流IREF1转换成第一偏置电压VB1，并将所述第一偏置电压VB1输出至模数转换单元，所述第一偏置源用于驱动所述像素阵列的每一组配置的尾电流源。

第二偏置源，用于将所述第二基准电流IREF2转换成第二偏置电压VB2，并将所述第二偏置电压VB2输出至模数转换单元，用于共同驱动所述像素阵列的每一组配置的尾电流源。其中，所述第一偏置源和所述第二偏置源是相同规格的偏置源，所述第一基准电流IREF1和所述第二基准电流IREF2相同。

所述像素阵列，用于在像素阵列的每一组对应的尾电流源管的偏置信号作用下，输出每一组的像素单元输出信号。

模数转换单元，包括n组模数转换器，用于基于基准信号VREF，将每一组的像素单元输出信号进行量化，量化后的数字量输出到输出信号处理***作后续数据处理。

参见图6所示，每组像素单元之间的偏置电压VB走线都存在寄生电阻和到地寄生电容，如第一组到最后一组走线寄生电阻电容分别是R0/C0、R1/C1、…Rn/Cn，由于每组之间间距是一样的，假设近似看做R0＝R1＝…＝Rn＝R，C0＝C1＝…＝Cn＝C。则时间常数可以写成：可见，该图像传感器一个明显的优势就是由于两侧驱动尾电流源模块，根据经典的Elmore模型可知，此时等效电阻缩小为正常时的1/4。假设按照上述参数CIS分辨率很大时，比如4000万，组数将达到8000万，假如每一组VBN走线电阻R＝1Ω，电容C＝10fF，可知时间常数τn’＝160ns，偏置信号线时间常数缩小为原来的1/4，大大缩短了建立时间以及抗干扰的稳定恢复时间，不仅如此，偏置源自身驱动要求降低，无需很大的驱动电流，所以还能降低偏置源的功耗。

如附图7所示，本发明还提供一种图像传感器的读出方法，该方法可以用应用于上述图像传感器，具体可以包括如下步骤：

S701，在复位阶段，控制选通信号SEL置为低电平，复位信号RX和传输信号TX均置为高电平，使得传输管Mtg、复位管Mrst和放大管Msf均导通，像素单元被复位。

S702，当像素单元被复位后，控制所述传输信号TX从高电平切换为低电平，使得传输管Mtg断开。

S703，在曝光阶段，保持选通信号SEL为低电平，以及保持传输信号TX为低电平，控制复位信号RX从高电平切换为低电平，使得复位管Mrst和传输管Mtg断开，选通管Msel导通，光电二极管PD开始曝光并积累电子。

S704，在信号读取阶段之前，开关的控制信号置为高电平，第一偏置源和第二偏置源共同驱动所述像素阵列的每一组配置的尾电流源。

S705，在信号读取阶段，开关的控制信号从高电平切换为低电平，第一偏置源驱动所述像素阵列的每一组配置的尾电流源，第二偏置源与尾电流源之间的连接断开，控制复位信号RX由低电平切换为高电平，使得复位管Mrst导通，对浮空扩散区FD点复位，读出复位电位VRST；之后控制传输信号TX由低电平切换为高电平，使得传输管Mtg导通，读出曝光积分信号VSIG。

结合图6来说，新增的第二偏置源Mcsm2和第一偏置源Mcsm1是一样规格，并且流过的偏置电流ISC1＝ISC2，这样确保偏置信号VB1和偏置信号VB2相同。开关Sk的控制信号SKS在为高电平时导通，为低电平时关闭，如图8为开关Sk的控制信号SKS在读出过程中开关时序示意，在进入读之前控制信号SKS置高电平，第一偏置源和第二偏置源共同驱动所述组的尾电流管，以求实现快速建立，“ts”持续时间仅需200ns左右即可。进入读阶段后，开关Sk断开，第二偏置源与电流源管阵列断开，由第一偏置源持续为尾电流管阵列提供偏置电压。提出的这种偏置控制方式，可以满足高分辨率高帧率的要求，并且使偏置源功耗控制在合理范围内。

本发明所提供的图像传感器的的读出方法有益效果在于：第一偏置源和第二偏置源共同驱动所有组的尾电流管，以求实现快速建立，提出的这种偏置控制方式，可以满足高分辨率高帧率的要求，并且使偏置源功耗控制在合理范围内，由于新增的偏置源可能和原偏置源存在差异，所以在像素读出阶段开始前接入新增第二偏置源，进入像素读出阶段后，新增的第二偏置源会断开，由原第一偏置源继续提供稳定的偏置信号。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。

对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：

像素阵列，包括n组像素单元，用于产生图像信号；

尾电流源模块，包括n个尾电流源管，每个尾电流源与所述像素阵列的每一组一一对应；所述尾电流源用于产生尾电流；

基准源，用于生成基准信号，以及生成第一基准电流和第二基准电流；

第一偏置源，用于将所述第一基准电流转换成第一偏置电压，并将所述第一偏置电压输出至模数转换单元，所述第一偏置源用于驱动所述像素阵列的每一组配置的尾电流源；

第二偏置源，用于将所述第二基准电流转换成第二偏置电压，并将所述第二偏置电压输出至模数转换单元，用于共同驱动所述像素阵列的每一组配置的尾电流源；

所述像素阵列，用于在像素阵列的每一组对应的尾电流源管的偏置信号作用下，输出每一组的像素单元输出信号；

模数转换单元，用于基于基准信号，将每一组的像素单元输出信号进行量化，量化后的数字量输出到输出信号处理***作后续数据处理；

其中，n为正整数，所述第一偏置源和所述第二偏置源是相同规格的偏置源，所述第一基准电流和所述第二基准电流相同。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，最后一组像素单元的偏置信号建立时间常数最大为：

其中，R为相邻组像素单元之间的寄生电阻，C为相邻组像素单元之间的寄生电容。

3.一种图像传感器的读出方法，适用于如权利要求1或2所述的图像传感器，其特征在于，包括：

在复位阶段，控制选通信号SEL置为低电平，复位信号RX和传输信号TX均置为高电平，使得传输管Mtg、复位管Mrst和放大管Msf均导通，像素单元被复位；

当像素单元被复位后，控制所述传输信号TX从高电平切换为低电平，使得传输管Mtg断开；

在曝光阶段，保持选通信号SEL为低电平，以及保持传输信号TX为低电平，控制复位信号RX从高电平切换为低电平，使得复位管Mrst和传输管Mtg断开，选通管Msel导通，光电二极管PD开始曝光并积累电子；

在信号读取阶段之前，开关的控制信号置为高电平，第一偏置源和第二偏置源共同驱动所述像素阵列的每一组配置的尾电流源；

在信号读取阶段，开关的控制信号从高电平切换为低电平，第一偏置源驱动所述像素阵列的每一组配置的尾电流源，第二偏置源与尾电流源之间的连接断开，控制复位信号RX由低电平切换为高电平，使得复位管Mrst导通，对浮空扩散区FD点复位，读出复位电位VRST；之后控制传输信号TX由低电平切换为高电平，使得传输管Mtg导通，读出曝光积分信号VSIG。